一種gh150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝的製作方法

2023-06-06 08:58:56 1

專利名稱：：一種gh150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝的製作方法
技術領域：
：本發明涉及葉身型面無切削加工的一種製造方法，特別提供了一種GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝。
背景技術：
：GH150合金棒材，是一種以鎢、鉬等元素固溶強化和鈦、鋁、鈮時效強化的鎳-鐵-鉻基高溫合金，主要強化相Y'。通過分析所採用的材料，從變形的觀點看和要得到要求參數的葉片角度分析，為避免降低材料強度特性和減少頻率特性過大的差異，在葉片型面加工時不可能採用原有工藝過程生產。分析該最終加工方法的技術一經濟指標，精鍛和冷軋是最為適合的方法，而在多數情況下也是葉片製造唯一可行的工藝方法。但迄今為止，對於高溫合金無餘量的精鍛葉片，我國尚未突破。冷軋技術得到世界航空發動機製造業的高度重視，上世紀六十年代末，我公司在全國率先開展了馬氏體不鏽鋼製工作葉片高速錘擠壓、輥軋複合形變熱處理新工藝的試驗研究，並且獲得成功。該項技術的研究成功使航空發動機壓氣機不鏽鋼動葉片的製造技術取得了突破性的進展。八十年代初，我公司又研製成功溫輥軋微餘量(O.lOmm)的熱強鈦合金(TC11)工作葉片。但是，對於高溫合金的壓氣機工作葉片和帶榫頭的整流葉片的冷輥軋技術，尚未開展研究，我公司針對國產GH150材料葉片葉身型面精密冷輥軋無餘量成形這種工藝的研究，目的在於替代某大修葉片易損件的進口，扭轉受制於人的局面，以便更好的推廣應用於其它型號第三代新機鐵、鎳基高溫合金制的、單榫頭壓氣機葉片的製造和第四代發動機壓氣機葉片的預研。
發明內容本發明的目的是提供本發明提供了一種GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝，其特徵在於所述的GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝的主導工藝和熱處理工藝流程為半精鍛件經過103(TC105(TCX2h固溶、油冷，之後機加工榫頭及銑葉身根部，之後整平葉身，之後第一次冷輥軋，之後103(TC105(TC真空、充氬氣冷固溶，之後第二次冷輥軋，葉身軋至無餘量，之後真空爐1010°C103(TCX1.5h充氬氣冷固溶處理，之後冷校型，之後榫頭及葉身進排氣邊緣經拋光精加工，之後真空爐77(TC790。CX5h—次時效，之後640°C66(TCX16h氬氣保護二次時效處理，最後振動光飾。所述的GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝充氬氣冷固溶的壓強X).4MPa。所述的GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝中輥軋的潤滑採用機油或酒精。一次無餘量冷軋成形對葉片組織均勻性的影響試驗方法及過程1)採用撫鋼產2H210201熔煉爐號的GH150軋棒按1130。C擠杆—105(TC預鍛一105(TC終鍛工藝鍛制IV級整流葉片2)按下列工藝固溶處理箱式電阻爐1040士10。C,2小時，油冷3)採用箱式電阻爐對固溶後的葉片鍛件抽取兩件毛坯進行雙時效處理，時效制度780士10。CX5h，空冷，650士10。CX16h,空冷。4)經2)固溶後的葉片鍛件按高壓IV級整流葉片輥軋工藝規程拉、銑榫頭、銑葉根、整平葉身型面，然後按表1變形量輥軋葉片葉身至成品尺寸。表1IV級整流葉片一次冷軋成形各截面變形量tableseeoriginaldocumentpage5冷(5)冷輥軋後葉片按下列工藝進行最終熱處理固溶真空爐加熱1040士1(TC，保溫40分充氬氣冷(壓力》0.4MPa)。雙時效780土10'CX5h氬氣保護箱冷，650土l(TCX16h氬氣保護箱6)經熱處理的葉片毛坯及輥軋葉片作高、低倍組織檢查並檢測硬度,試驗結果1)葉片鍛件的組織固溶、時效後的葉片鍛件高倍組織如圖1所示。2)葉片鍛件硬度固溶後的葉片鍛件布氏硬度為KB(d):4.65".71mm。3)葉片鍛件機械性能葉片鍛件試樣經固溶、雙時效後，檢測其室溫抗拉和高溫持久性能，結果如表2所示表2高壓IV級整流葉片鍛件試樣的力學性能tableseeoriginaldocumentpage64)固溶、時效後輥軋葉片的高倍組織圖2為冷輥軋葉片固溶、時效後的高倍組織。5)固溶、時效後輥軋葉片的硬度固溶、時效後輥軋葉片葉身和榫頭的硬度為HRA68~69。試驗結果分析1)葉片鍛件金相組織可以看出，1040°CX2h，油冷固溶處理的GH150合金鍛造葉片，晶粒度均在5~6級範圍內，個別為4級。1040'C固溶處理的GH150合金葉片組織是良好的，晶粒度是細小的。2)從鍛件固溶後的硬度和表2的性能數據看，硬度較低，鍛件軟化，冷輥軋時具有良好的工藝塑性，葉片的成形性能良好，滿足葉片冷軋工藝要求。表明GH150合金葉片鍛件採用104(TCX2h，油冷固溶處理的工藝是十分合理的。3)對一次冷軋無餘量成形及與其相匹配的熱處理工藝反覆研究發現，影響葉片咬口部位組織及整體葉片組織均勻性的因素有下面六個方面1)冷輥軋咬入處的模具R大小2)葉片咬入處的變形量3)咬入部位後方(葉根處)的餘量4)葉身整體變形量5)軋後固溶的溫度和保溫時間6)葉片軋制時，工件速度與軋機速度的匹配。上述六個因素的變化不僅影響咬口部位晶粒度的大小，而且影響咬口部位晶粒度的形態和分布。通過試驗研究我們發現，除上面第5因素外，無論如何調整、匹配各因素的關係都只能改變粗晶的大小和分布形態以及粗晶量的多少，而無法消除粗晶的產生。如果選擇合理，可以使粗晶得到改善。改變固溶溫度或保溫時間，例如降低固溶溫度到IOO(TC，並延長保溫時間，可以遏止粗晶的產生。但由於固溶溫度過低導致再結晶不充分，葉身組織過細，使得整個葉片各部分晶粒度差別增大，組織均勻性變差。因此，儘管GH150合金冷輥軋葉片最終熱處理採用真空爐加熱，1040°CX40'充氬氣冷(氬氣壓強不低於0.4MPa)固溶；780°CX5h，650°CX16h，氬氣保護，箱冷雙時效處理後，葉片可得到65級均勻的、細小的再結晶的組織，並和俄制葉片組織基本相當(輥軋咬入處組織除外)。但由於咬口粗晶帶的存在，該工藝路線的一次冷軋無餘量成形不能獲取葉片各部位晶粒度完全均勻的組織。兩次無餘量冷軋成形對葉片組織均勻性的影響試驗過程1)以高壓VE級整流葉片為研究對象，軋前葉片毛坯單面餘量，中心部位0.35~0.40mm,邊緣0.30-0.35mm，採用兩次輥軋工藝(第一次輥軋1道次，留餘量0.10.15mm;第二次輥軋1~2道次)輥軋葉身型面至無餘量。2)輥軋方式和熱處理工藝按表3進行。表3高壓W^流葉片兩次7，軋葉片的輥車L^熱處理工藝狀態tableseeoriginaldocumentpage8注固溶及時效均在真空爐內進行。試驗結果分析在試驗所選擇的方案中42TY是比較理想的工藝，榫頭晶粒度5~4級，葉身縱向晶粒度64級，咬口部位晶粒度基本為43級。附圖中所示為部分工藝的葉身橫向組織(4~5截面之間)，附圖中可見42TY葉片葉型中間部位和排氣邊緣晶粒度為5~6級、個別4級，進氣邊緣為6~5級、個別4級。42TJ葉片橫向組織(45截面之間)略細，特別是進氣邊緣約為75級之間。造成這種現象的原因，筆者認為酒精的潤滑效果不如機油加氯化石蠟。另外，該截面處的進氣邊變形程度比中心和排氣邊緣均大，因而組織更為細小。82TY葉片橫向組織(4~5截面之間)均勻性很好，整個橫截面晶粒度為56級、個別4級。這種組織的得到與粗軋後經1080'C固溶處理有關。綜上所述，從葉片組織均勻性的角度出發，42TY是比較理想的工藝，按照該工藝在輥軋、並經最終熱處理後可獲得整體組織比較均勻、咬口晶粒不過分長大的葉片。結論1)GH150合金制葉片鍛件採用1040。C固溶、油冷處理後具有均勻的5~6級晶粒度的組織，低的硬度和良好的冷軋工藝塑性。經雙時效後葉片有良好的力學性能。2)GH150合金採用一次冷輥軋成形無餘量葉片，最終採用真空爐加熱，1040°CX40'充氬氣冷(氬氣壓強不低於0.4MPa)固溶；780'CX5h，65(TCX16h，氬氣保護，箱冷雙時效熱處理，葉片可得到65級均勻的、細小的再結晶組織，並和俄制葉片組織基本相當(輥軋咬入處組織除外)。但由於咬口粗晶帶的存在，該工藝路線的一次冷軋無餘量成形不能獲取葉片各部位晶粒度完全均勻的組織。3)GH150合金制輥軋葉片，採用兩次冷輥軋、合理分配壓下量、兩次不同溫度和不同時間固溶處理的工藝，可獲得組織均勻性比較良好的葉片(即42TY工藝)。其主導工藝路線為鍛件一1040°CX2h油冷固溶一機加工榫頭及數控銑葉身根部一整平葉身一第一次輥軋葉身一1040'CX40'真空、充氬氣冷(壓強^0.4MPa)固溶一切頭、拋修邊緣及咬口部位一第二次輥軋葉身(串位輥軋)一真空爐1020。CX1.5h，充氬氣冷(壓強^0.4MPa)固溶處理—真空爐780。CX5h一次時效一650°CX16h氬氣保護箱冷兩次時效處理。42TY(兩次輥軋、兩次固溶104(TC+1020。C、機油潤滑)縱向組織4)兩次輥軋中82TJ和82TY兩項工藝除榫頭晶粒度比42TY稍粗外，約粗0.51級，葉身及咬口部位的晶粒度均比較好，前兩項工藝與42TY的區別在於兩次固溶溫度與時間。前者一軋後固溶制度為1080。CX40'，二軋後固溶制度為102(TCX30';後者一軋後固溶制度為104(TCX40'，二軋後固溶制度為102(TCX1.5h。而前兩者之間的區別在於潤滑。該兩項工藝也屬於基本可接受的工藝。5)試驗研究表明，咬口組織粗大的根本原因，也是GH150合金葉片成形冷輥軋產生粗晶的機理，是臨界變形。組織最大程度變粗大致發生在變形量約為5%的冷變形時，這是採用該種傳統輥軋工藝無法避免的問題。改變該傳統工藝的各因素及相關參數都只能改變粗晶的大小和分布形態以及粗晶量的多少，而無法消除粗晶的產生。如果選擇合理，可以使粗晶得到改善。本發明的優點本發明通過對GH150髙溫合金冷輥軋成形性能、冷軋硬化特性、冷軋變形及熱處理工藝對GH150合金組織、性能的影響的研究以及通過對GH150合金冷輥軋葉片整體組織均勻性和咬口粗晶形成機理的研究，攻克了數項關鍵技術，確定了GH150合金冷輥軋葉片合理的輥軋工藝參數和與其相匹配的熱處理工藝，提出了研製冷輥軋高溫合金葉片的主導工藝和熱處理工藝。接著進行了葉片冷輥軋技術的工程化應用研究，成功研製了發動機高壓壓氣機的十三個級別的工作葉片和整流葉片，所制葉片通過了規定載荷下2乂107循環振動疲勞試驗，通過了發動機368h的長期試車考核。下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明圖1為高壓壓氣機工作葉片研製件外觀形貌；圖2為髙壓壓氣機整流葉片研製件外觀形貌；圖3為榫頭縱向100倍圖片；圖4為葉身縱向IOO倍圖片；圖5為咬口縱向IOO倍圖片；圖6為咬口縱向25倍圖片；圖7為進氣邊橫向IOO倍圖片；圖8為中間橫向100倍圖片；圖9為排氣邊橫向100倍圖片。具體實施方式實施例11、研製的葉片外貌如圖1和圖2所示。2、設備.*輥軋機3、毛坯設計將GH150合金O29mm棒材車削到O27mm，吹砂後塗玻璃潤滑劑，箱式電爐加熱105(TC保溫25min,在壓力機上壓扁至12±0.5mm(模壓變形量約50%)製取輥軋前毛坯。然後按1040士10'C、保溫2h，油冷(簡稱"固溶、油冷")固溶制度熱處理。4、主導工藝和熱處理工藝流程設計半精鍛件一1040'CX2h固溶、油冷一機加工榫頭及銑葉身根部一整平葉身一第一次冷輥軋一104(TC真空、充氬氣冷固溶一第二次冷輥軋(改變方式，葉身軋至無餘量，)一真空爐1020aCX1.5h，充氬氣冷固溶處理一冷校型一榫頭及葉身進排氣邊緣精加工一真空爐78(TCX5h—次時效一65(TCX16h氬氣保護二次時效處理一振動光飾。5、關鍵技術1)通過大量試驗研究表明，GH150合金製冷輥軋葉片軋前毛坯(鍛件)按104(TCX2h固溶、油冷，改變了俄技術標準鍛件固溶制度規定的1080°C，氣冷，整個葉片鍛件的高倍晶粒可以獲得比較均勻的6~4級的組織。同時合金具有良好的冷軋工藝塑性，完全滿足葉片冷軋工藝要求。合金按此工藝固溶，雙時效後具有良好的力學性能。2)兩次冷軋成形無餘量葉片冷軋變形量的分配冷軋前葉身的單面餘量確定為0.350.40mm，進排氣邊緣單面餘量確定為0.30~0.35mm，進行兩次冷軋成形無餘量葉片，其兩次軋制的壓下量分配見表l。表1GH150合金葉片兩次冷軋成形變形量統計表tableseeoriginaldocumentpage12在葉片冷輥軋過程中未出現任何裂紋，表明採用兩次冷軋變形，中間進行固溶處理，上述所確定的變形量是合理的。3)通過試驗確定兩次輥軋後，採用與俄不同的固溶制度(粗軋後為1040'C，精軋後為1020'C)，顯著改善了合金組織和性能。採用兩次冷軋成形是比較理想的工藝(即粗軋一1040'C真空固溶—改變方式精軋一102(TCX1.5h真空固溶一雙時效)。按照該工藝，葉片經冷輥軋、並經最終熱處理後可獲得整體比較均勻、咬口晶粒不過分長大的組織。即如附圖所示3)通過"串位"輥軋技術，減少了臨界變形對組織均勻性的影響，改善了咬口部位的不均勻組織；在兩次冷輥軋成形無餘量葉片中，採取了三項措施來改善葉片的組織均勻性。第一，在不改變總變形量的情況下，調整為兩次輥軋，降低了每次輥軋的變形量，並且在兩次輥軋之間增加一次固溶處理；第二，調整第二次輥軋(即精軋)的咬入位置；第三，降低了第二次輥軋(即精軋)後的固溶溫度。通過三項措施，葉片經冷輥軋、並經最終熱處理後可獲得整體比較均勻、咬口晶粒不過分長大的組織。GH150合金成分及所佔質量比例如下碳小於0.08%，鉻14.0—16.0%,鎳45—50%，鉤2.50—3.50%,鉬4.50—6.0%,鋁0.8—1.3%，鈦1.8—2.4%,鈮0.9—1.4%，餘量為鐵和雜質，雜質中錳不大於0.4%，銅不大於0.07%，硫不大於0.015%，磷不大於0.015%，矽不大於0.4%,鈰不大於0.02%，鋯不大於0.05%，硼不大於0.01%。權利要求1、一種GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝，其特徵在於所述的GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝的主導工藝和熱處理工藝流程為半精鍛件經過1030℃～1050℃×2h固溶、油冷，之後機加工榫頭及銑葉身根部，之後整平葉身，之後第一次冷輥軋，之後1030℃～1050℃真空、充氬氣冷固溶，之後第二次冷輥軋，葉身軋至無餘量，之後真空爐1010℃～1030℃×1.5h充氬氣冷固溶處理，之後冷校型，之後榫頭及葉身進排氣邊緣經拋光精加工，之後真空爐770℃～790℃×5h一次時效，之後640℃～660℃×16h氬氣保護二次時效處理，最後振動光飾。2、按照權利要求1所述的GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝，其特徵在於所述的GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝充氬氣冷固溶的壓強》0.4MPa。3、按照權利要求1所述的GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝，其特徵在於所述的GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝中輥軋的潤滑採用機油或酒精。全文摘要一種GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝的主導工藝和熱處理工藝流程為半精鍛件經過固溶、油冷，之後機加工榫頭及銑葉身根部，之後整平葉身，之後第一次冷輥軋，之後真空、充氬氣冷固溶，之後第二次冷輥軋，葉身軋至無餘量，之後真空爐充氬氣冷固溶處理，之後冷校型，之後榫頭及葉身進排氣邊緣經拋光精加工，之後真空爐一次時效，之後氬氣保護二次時效處理，最後振動光飾。本發明的優點本發明進行了葉片冷輥軋技術的工程化應用研究，成功研製了發動機高壓壓氣機的十三個級別的工作葉片和整流葉片，葉片通過了規定載荷下循環振動疲勞試驗，通過了發動機的長期試車考核。文檔編號C21D11/00GK101412182SQ200710157510公開日2009年4月22日申請日期2007年10月17日優先權日2007年10月17日發明者吳自然,楊景金,麗王,馬國恩,政魏申請人:瀋陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司